气力输送系统流动特性CFD模拟分析

1、气力输送系统流动特性CFD模拟分析摘 要管道气力输送是方兴未艾的新学科和边缘学科,它是利用有压气体作为载体在密闭的管道中达到运送散料或成型物品。粉体的气力输送是利用气体为载体, 在管道或容器中输送粉体物料的一种方法, 在气力输送中, 混合介质是气体和粉粒体, 一般使用的气体是空气, 当要求输送的物料不能被氧化时, 使用氮气或惰性气体, 因而属于气固两相流。本课题采用以实验为主，以理论分析和数值模拟为辅的方法，系统研究T型分支管道气固两相流输送系统中，整体升扬管道高度对管道内流体变化的流动特性的影响。后来为了模型更接近实际，本文绘制的T管道模型接近实验管道，主要是模拟分支管道内部流体情况，模拟输

2、送过程中的一种情况并与实验结果对比。本文主要对气固两相流管网输送的产生历史、国内外发展状况、基本原理和应用等内容进行了较详细的介绍，同时对本课题的研究意义及前景进行详细论述。在水平T型分支管道中，用压缩空气作为输送介质，在保持气体流量分别为60 m3/h和0.22 Mpa，分别改变发送压力和流量，对流体流动特性的变化情况进行分析和研究。关键词：气固两相流；管网分流；压降；流体流动特性AbstractPneumatic conveying pipe is a new disciplines burgeoning and the edge discipline, it is used as a c

3、arrier gas pressure in the closed pipeline to transport bulk or molding items. Powder pneumatic conveying is the use of gas as the carrier, in a pipe or container conveying of powder material is a kind of method, in the pneumatic conveying, mixed medium is gas and powder granule, the general use of

4、the gas is air, when the materials request cant be oxidation, using nitrogen gas or inert gas, which belongs to the gas-solid two phase flow.This topic based on the experiment is given priority to, with theoretical analysis and numerical simulation is complementary method, system research T branch p

5、ipe gas-solid two phase flow conveying system, the overall rally in pipe height changes the flow characteristic of fluid inside the pipeline. In this paper, the main of gas-solid two phase flow pipeline transportation history, development situation at home and abroad, the basic principle and applica

6、tion, etc was introduced in detail, at the same time, research significance and the prospect of this project are discussed in details. In the level of T branch pipe, using compressed air as medium, in keeping the gas flow is 60 m3 / h and 0.22 Mpa, respectively, respectively send pressure and flow c

7、hange, the changes in the characteristics of the fluid flow analysis and research.Keywords：Gas-solid two-phase flows； Pipe network system；pressure drop; Resistance characteristic1绪论管道气力输送是方兴未艾的新学科和边缘学科,它是利用有压缩气体作为载体在密闭的管道中达到运送散料或成型物品。这种管道技术对我国来说也是一门年轻而极具有光广阔营运前景的有待研究开发和应用的技术。直到现在, 不管是在理论方面还是在实际应用方面,

8、 许多问题远未得得到很好地解决。粉体的气力输送是利用气体为载体, 在管道或容器中输送粉体物料的一种方法, 在气力输送中, 混合介质是气体和粉粒体, 一般使用的气体是空气, 当要求输送的物料不能被氧化时, 使用氮气或惰性气体, 因而属于气固两相流。1.1 课题的研究背景气力输送因具有成本低、效率高、污染少、操作危险小、管网布置灵活、生产率高，结构简单，可升可降，操作方便，长距离输送不受地域影响的特点，而且在输送过程中可以汇合、分流、混合、粉碎、分级、干燥、冷却除尘、化学反应等工艺操作，过程封闭既保证物品不受潮、污损或混入异物，又能满足环境保护的要求等优点，已成为普遍适用的利用有压管流输送粉粒状物

9、体的新兴的输送技术 。气力输送技术发展至今已有100多年的历史, 在化工、发电、制药、食品、机械制造、饲料、建筑、冶金等领域广泛应用。气力输送技术己有一百多年的发展历史。早在1810年Uedhu-rst就提出了邮件气力输送方案,1824年Vallanse最先建立了气力输送实验装置。1853年欧洲出现第一个气力输送装置, 但由于当时科学技术和工艺水平的限制, 气力输送技术在较长的时间内没能得到广泛的应用。只局限于某些大码头上的装卸。1924年Gasterstaedt研究过气固悬浮体管内流动。但是许多经验和研究成果分布在各个部门, 交流不多。有意识的总结归纳所遇到的各种现象, 用气固两相流的统一观

10、点系统地分析和研究, 则是1940年后才开始。两相流(two-phase flow)的名词在1949年才见诸文献。五十年代以后论文数量显著增加, 内容包括两项流边界层、流态化技术、激波在两相流混合介质中的传播、空化理论、喷管理论等。1956年Ingebo研究了颗粒群阻力系数试验公式2。1961年Streeter主编的流体力学手册有专门的一节介绍两相流。六十年代后, 越来越多的学者探索描述两相流运动的基本方程。早期的工作有Marble，Murray，Pabton等3。20世纪60年代, 英国Bardford大学的Dr.Williams建立了粉粒技术研究院,并创刊了Powder Technolog

11、y杂志。Cambridge大学的J.F.Davidson和D.Harrison 1971年出版了Fluidization.Klinzing在粉体的物性以及气力输送进行了较深入地研究,Tsuji,Y在气力输送气固两相流动的数值计算方面作了大量的工作。Zenz就气一固流动特性进行了广泛的研究, 提出了单颗粒在水平管线上的沉积速度的关联式, 前苏联学者克列因、高尔得什琴、李克洛夫斯基等对谷物、水泥等材料以弹性力学理论和实验结果为基础, 进行了散粒体结构力学的基本问题研究, 包括散粒体的性质及其应力状态等问题的研究。井尹固赫、俊腾获得了在水平输送线上固体和气体的速度分布, Wen对水平中曳力和压降进行

12、了实验研究, 提出了气固存在滑动。1970年,日本学者久保辉一郎、水渡英二, 对粉体的力学特性和运动理论进行了研究。1985年,近尺正敏、金棒孝文针对颗粒间作用力进行了深入地研究。上憧具贞用流体力学和固体摩擦理论的方法, 建立管道颗粒流动的运动模型, 试图得到一种解析解, 建立了许多不合理的假设, 分析了可利用的理论速度, 但与实际情况相差很大, 其方法不适用于非均匀悬浮流管流4。研究流场中单颗粒或有着相互作用的多颗粒运动, 以及考察含有颗粒的流场本身可用来推测流场中有关的流动信息, 如探讨作用在颗粒上的合力和通过对流场平均得到的流变性质等, 关于这方面的研究成果, 有1965年Einstei

13、n的有效粘性理论,1975年Tchen提出的关于小颗粒在均匀紊流中运动受力和扩散的理论。颗粒流的研究得到了迅速的发展, 这方面Savage、Lun等都做出了相应的论述。Von Karman 学院的Lourenco等人所进行的气固两相紊流运动模型的研究有独特的地方。将固相与稀薄气体分子运动相比拟, 用方程描述, 而气相用连续介质模型描述。对稀相管道紊动两相流,所应用的运动模型的数值计算结果与实验能够很好符合。两相流的运动模型和连续介质模型分别从微观和宏观描述两相流动。1.2 气力输送系统的分类在气固两相流中，当输送空气表观气速较高时，物料处于悬浮状态，在气流输送中呈均匀分布；当输送气速降低，物料

14、开始积聚，部分物料在管道中开始大量积聚，呈集团脉动状态输送；当输送风速降低到一定程度，物料堵塞界面，形成不稳定的料栓；再降低输送风速，不稳定的料栓将成为稳定的料栓，有空气的压力推动输送。基于物料的运动状态的不同气力输送系统一般可以分为一下四类：（1）稀相气力输送 稀相输送是最传统的气力输送方式，气流速度1240 m/s 之间，料气比在15之间，最大可达15，输送效率在1020 t/h 之间。被输送物料的质量流量与输送气体的质量流量之比较小，物料颗粒之间的间距较大，气体的输送压力较低，输送速度较大，系统磨损较大，输送效率低，能耗大。（2）密相气力输送 在气力输送密相输送时，物料在管道内已不再均匀

15、分布，呈密集状态，但管道并未被物料堵塞。气流速度在815 m/s之间 。料气比的变化范围很大, 高压输送与高真空吸送的料气比大致在1550之间，而对于易吸气的粉料，料气比可高达200以上, 流态化输送。输送效率一般在 2050 t/h。（3）栓流气力输送 这种输送是目前气力输送中一种较好的中等距离的输送方法。它是人为地把料栓预先以气力切割程较短的料栓，气栓把料栓相间的分开，以静压推动料栓连续前进，这样就提高了料栓速度，降低了输送压力，减少了功率消耗，并增加了输送距离。此外，尚有将密集状物料连续不断地充塞管内而形成料柱作短距离输送。（4）集装容器式气力输送 按装料容器的不同分为无轮的传输筒和有轮

16、的集装容器车两类。它类似于栓料气力输送，是利用空气的压力使传输筒或集装容器车在管道内快速输送【5】。1.3 气力输送系统的特点 从气力输送的输送机理和相关实践可以看出它的一系列优点：输送效率较高、设备构造简单、维护简单方便、易于实现自动化以及有利于环境保护等。概括起来气力输送主要有以下的优点：（1）与其他散状固体物料的输送设备相比, 气力输送系统是小颗粒固体物料连续输送最合适的输送设备, 同样也适于间断地将大量的颗粒物料从罐车、铁路车辆和货船输送至贮仓。（2）可充分利用空间。带式输送机、螺旋输送机、埋刮板输送机等输送机械实质上是朝一个方向输送, 而气力输送系统可以向上、向下或围绕建筑物、大的设

17、备及其他障碍物输送物料, 其输送管可高出或避开其他装置或设备所占用的空间。（3）所采用的各种固体物料输送泵、流量分配器以及接受器的操作非常类似于流体设备的操作,因此大多数气力输送关系很容易实现自动控制, 由一个中心控制台操作。（4）与其他散状固体物料的输送设备相比, 其着火和爆炸的危险性小。（5）设计比较好的气力输送系统常常是干净的, 并且消除了对环境的污染。在负压输送时, 任何一处的空气泄漏都是向内的, 因此物料的污染就可限制到最小。（6）输送物料可以散装, 操作效率高, 包装和装卸费用低。（7）设备简单, 占地面积小, 可充分利用空间, 设备的投资和维修费用少。（8）可以实现由数点集中送往

18、一处, 或由一处分散送往数点的远。（9）对于化学性能不稳定的物料, 可以采用惰性气体输送。（10）利于安全生产, 改善车间卫生条件, 防止灰尘、粉尘的外扬, 有利于环境保护。但在实践过程中还存在以下缺点：（1）与其他散状固体物料输送设备相比, 气力输送系统动力消耗较大, 特别是稀相气力输送系统。（2）使用受到限制。气力输送系统只能用于输送干燥、无磨琢性、有时还需要能自由流动的物料。如果成品不允许破碎, 则脆性的、易于碎裂的物料不宜采用稀相气力输送。除非是特殊设计, 否则易吸潮、结块的物料也不宜采用气力输送系统。易氧化的物料不宜用空气输送, 但可以采用带有气体循环返回的惰性气体来代替空气。（3）

19、输送距离受到限制。至目前为止, 气力输送系统只能用于比较短的输送距离, 一般小于300 m，对黏性的物料则更短, 例如炭黑, 目前只能输送250 m（4）物料特性如堆积密度、粒度、硬度、休止角、磨琢性等的微小变化, 都能造成操作上的困难6。1.4 气力输送系统的研究现状目前国内该方面的研究主要以上海理工大学、浙江大学等研究机构为主，且对气力输送分支管道中的相关特性研究取得了一些较大的进展。 1.4.1 Y型分支管路的研究现状吴冕等在水平Y型分支管道中采用压缩空气对平均粒径为2 mm的小米颗粒进行气力输送试验，对在Y型管道中流动的气固两相流体的流动状态及流量分配特性进行了研究。试验结果表明，在发

20、送压力基本保持不变的条件下，当活动支与主管间夹角不变时，分配到活动支侧收料仓B的固相颗粒质量分数随表观气速的增大而逐渐减小；当活动支与主管间夹角发生改变时，分配到收料仓B的固相颗粒质量分数随夹角的增大而逐渐减小，且相较于表观气速，活动支与主管间夹角的变化对分配到收料仓B的固相颗粒质量分数影响较大。申敬罡等以压缩空气为输送介质，粒径相同而密度不同的小米和空心玻璃珠为输送物料，在水平变角度Y型分支管气力输送试验台上对气固两相的流量分配特性进行了研究。通过对比，发现固相密度对流量分配特性影响不大7。 段广斌等8人在气固两相流水平Y型分支管实验装置中，通过采用压缩空气对小米物料进行气力输送试验，对分支

21、管的固体流量分配特性进行了研究。同时，采用Euler - Lagrange两相流研究方法，固相采用离散相（DPM）模型，采用Fluent 软件对3种不同夹角的Y型分支管内气固两相流动进行了数值模拟。结果表明，气体表观速度和变动支管与主管中轴线夹角支管的对固相分配特性具有较大影响。模拟的结果较好地对颗粒在分支管内的运动轨迹，颗粒在分支处的流动形态以及重新实现颗粒相流场均匀分布所需的距离等进行预估。数值模拟结果与试验结果之间相对误差较小。通过相关的气力输送过程实验研究已的到得压损经验公式及相关实验数据可知，压损最小值处的气力输送风速为临界速度。徐建树9等人基于以上理论并基于matlab软件的sim

22、ulink工作环境空间，通过运用模糊控制器等相关运算模块构建气力输送过程控制仿真模型，有效的控制气力输送风速至临界速度处，从而达到节能优化的目的，效果不错。王丽玉10等人通过采用Euler-Lagrange两相流研究方法，固相采用离散相模型，对三种夹角的Y型分支管内其固两相流动进行了数值模拟，气相湍流采用Realizable模型，固相的湍流耗散采用随机轨道模型。模拟结果较好地预估了颗粒在分叉处的流动状态、颗粒在分支管内的运动轨迹，以及重新实现颗粒相流场均匀分布所需的距离。同时发现随机轨道模型较适用于分支与主管夹角较大的情况下，固体颗粒在分叉处地运动。将分支管内固体颗粒质量分配的数据模拟结果与实

23、验结果比较，发现两者吻合较好，相对误差较小。 1.4.2 T型分支管路的研究现状 王晓宁等11用压缩空气作为输送介质通过水平T型分支管道试验系统对平均粒径为0.5 mm砂石进行了气固两相流分支输送试验, 并对分支管道输送的阻力特性进行了研究。试验结果表明，在保持发送压力恒定的情况下，当输送气体流量下降时各分支管的压差在开始时逐渐减小；但当表观气速下降到一定程度后，压差下降趋势减慢，但局部阻力相对较大的分支管路的压差则开始增大。当分支管的控制阀开度差值由小变大时，两分支管各自的压差差值梯度逐渐增大，局部阻力相对较大的分支管路的临界速度则增大。而用压缩空气对平均粒径为0.25 mm 的砂石进行了试

24、验。结果表明，在发送压力保持恒定的情况下，随着表观气速的减小，各分支管上的压差，当开始时逐渐减小；但当气速下降到一定程度后，各分支管压差转而增大；当各分支管路流量控制阀的开度差值变大时，固相颗粒在分支管路中的流量分配情况也发生了较大变化12。 郑丹等13通过水平T型分支管道试验系统对平均粒径为0.5 mm的沙石进行了气固两相流试验，结果表明，当空气的表观气速大于33 m/s时，T型分支管接头处不会出现固相沉积，而当表观气速大于33 m/s时，分支管接头处则会出现沉积，分支管路的流量分配和并且沉积量与分支管路上阀门开度有关；开度相同时，分支接头两侧的固相流量分配和沉积量相同；开度不同时，阀门开度

25、小的一侧分支接头处的分配流量少，沉积量也少。 林江等的论文14通过对管壁摩擦力影响的悬浮固粒群在不同初始条件下的运动进行研究, 对固粒从初始到稳定状态的全过程进行了全面的探讨, 得出在不同初始条件下, 固粒群的运动速度与时间、距离的关系。通过对不同初始速度的固粒群在加速段的运动状态的观察, 分析了初始气固速度比对固粒输送速度的影响。 包福兵等15采用双流体模型对气力输送系统中T形盲管弯头的3维气固两相流场进行了数值模拟。分析结果表明，颗粒直径和管道直径越小，固相体积浓度和入口速度越大，流场压力损失越大。固相体积浓度、颗粒直径、气流人口速度越大，盲管长度L与管道直径D的比值H应选取较大；且H值的

26、选取范围应在0.53之间，不同管道直径的压力损失有着相同的变化趋势和同样的H值。 在管网输送有关特性模拟预测方面，王晓宁等16在水平T型分支管道中, 用压缩空气作为输送气体，对平均粒径为0.25 mm和0.5 mm的砂石进行气力输送试验。通过试验和GRNN神经网络对输送表观气速和两分支管路流量控制阀开度发生变化时，各分支管路中的阻力特性进行了模拟预测。通过试验值和网络模拟值的对比，发现试验值和模拟值间相互吻合得较好，说明采用GRNN网络来模拟两分支管路中各自的阻力特性适应性较好。并通过用BP神经网络对两支管的分配特性进行了模拟预测，试验值和预测值比较，发现BP神经网络对分支管路的分配特性具有较

27、高的预测精度。1.5 本章小结管道气力输送具有其它输送方式不可比拟的优点，但也存在输送过程能耗较大，稳定性较差的缺陷，研究输送管道中气固两相流的流动机理是解决此类问题的根本和关键。在国内外关于气固两相分支流动的试验，机理分析和数值模拟的研究较少，理论研究更远远落后于其实际工程应用水平。对其流场的物理本质还缺乏足够的了解，没有形成统一的理论，大多数分支管路气力输送系统的设计仍主要依赖于实验室数据和实际工程经验，其设计周期较长，费用高，且准确性也不够理想，这些都限制了其在国民经济发展中的更进一步的应用，因此管网系统中气固两相流动特性的研究急需深化与发展，这也是促进管道输送技术深层次应用的重点和难点

28、问题。本课题从试验入手，对多分支管网分流过程中的动力特性和流量分配特性进行研究，并对其气固两相流机理进行探索，建立相应的物理数学模型，为管网分流系统的敷设和操作参数的优化提供依据，具有重要的理论价值和实际意义。2 气固两相流管网输送试验系统简介本课题通过王晓宁副教授设计建立的一套室内T型气力输送管网实验系统对相关物料进行了试验。通过升扬整体管道高度、模拟输送过程中的一种情况与实验结果进行对比。 本课题的主要研究内容包括四个方面：一是气力输送系统及其试验装置的建立及改进；二是模拟输送过程中的一种情况并与实验结果对比的研究。2.1 系统简介本装置采用水平T形分支管路进行气力输送试验，两分支管路分别

29、采用球阀进行流量调节。该试验以干燥、纯净的压缩空气作为输送介质，对固相颗粒的输送过程进行了研究，并采用转子流量计对气体流量进行在线测量。两分支管路A、B采用T形分支接头连接，两分支管和分支接头由32 mm的无缝钢管和等径的有机胶管组成。通过有机胶管，可以实时观察总管及T形分支接头和两分支管内的两相流体的流动情况。两分支管路通过U型压差计对测量点进行压差在线测量，分支管路A和B分别通过透明有机胶管连接到收料仓A和B。发送仓和收料仓B的固体物料重量均采用质量测量仪进行测量，可为支管的固体收分配特性和管路输送的固气比的分析提供数据。尾部都有布袋除尘器对物料粉尘进行收集。本试验系统主要包括输送气源、稳

30、压装置、流量计、发料仓、输送管道、收料仓等。实验装置如图2.1所示:图2.1 实验装置图2.1.1 供料与收料系统 （1）供气系统 本实验装置根据经验和试验要求选取沈阳红五环压缩机有限公司生产的EXCEED型空气压缩机作为动力源，排气压力为1.25 MPa，活塞排量0.8 m3/min ,最高压力为1.4 MPa。过滤器选用沈阳市材和机电设备制造有限公司制造的博世型号，该型号总高75 cm ，其最大工作压力为 1.2 MPa， 排气量为8.46 m3/min ，用于压缩空气中杂质的过滤、水分的干燥和定压稳压。供气系统主要包括空气压缩机、稳压过滤装置、转子流量计等设备测试仪表参数如下：压差的测量

31、：防止测压孔被流过的固体颗粒堵塞，因此采用了将压差测量孔设置在垂直于管道最上方，这种结构可以减少测孔或是连接测孔和压差计的乳胶管以及玻璃管被颗粒状固体物料阻塞的几率，测压孔的直径为5 mm。使用胶管将压力测量孔与U形管压差计互相连接。U形管压差计的量程为-600600 mm水柱，其精度等级为0.1 mm水柱。两分支管道与主管路平行部分相同位置处安装有两个相同的U型管压差计，U型管压差计的两测值点相距1 m，用于测出单位长度分支管路上的压差值。流量测量 流量测量包括气相流量和固相流量的测量。a.气体流量的测量本文选择转子流量计对管网气力输送中的输送空气的流量值进行测量，转子流量计的主要性能指标为

32、：量程：060 m3/h精度：2 m3/h工作压力：01 MPa流体温度：20 b.固体流量的测量目前，气固两相流中的固相质量流量的在线准确测量的方法有待完善，测量精度也不高，且极易被高速流过的固体颗粒所损坏，无法在本试验的条件下使用。因此，本文采用电子称来称量收料仓A与收料仓B中颗粒状固体物料的质量，然后根据接收时间来推算固相物料的质量流量。电子秤的主要性能指标如下：最大称量：30 kg最小称量：200 g精度：0.001 kg工作温度：040 压力测量发料仓内部压力的测量：精密压力表安装在发料仓顶部，量程为0-1 MPa，对发料仓内的发送压力进行实时测量，用以监测在气固两相流流动过程中发料

33、仓中的压力变化。 图2.2 空气压缩机图2.3 空气过滤器（2）供料系统本实验装置的发送仓为釜式结构，中间为圆柱形，上下各有锥形结构，便于物料的进入和输出。发料仓的实际容积约30 L，由三根铁柱并用地脚螺丝固定在地面上，以保持发料仓工作时的稳定。在发料仓的顶部有物料进口，用不锈钢球阀进行密封，两边安装有精密压力表和安全阀，分别用来测量发料仓内的压力和防止发料仓内压力超过安全值。发料仓的底部装有流量控制球阀，用来控制气力输送管道内的固体物料流量。流量控制阀的下面装有气固混合系统，通过透明软管与输送管道系统相连。发料混合系统整体结构如图片所示： 图2.4 发料混合系统（3）收料系统收料仓的结构形状

34、与发料仓近似，两个收料仓A和B具有相同的尺寸形状发料仓与收料仓在形状上大体相同，上方通过透明管与输送试验分支管路相连。尾部设有布袋除尘器，对物料粉尘进行收集，防止环境污染。收料仓下方装有卸料管，并用球阀进行密封。 2.1.2 T型分支管路输送试验系统 本文根据原有对T型管网气力输送研究的基础上，继续对T型分支管网气力输送进行研究，主要是完成水平T型分支管路的管网分流分支管路阻力特性试验以及完成水平T型分支管路的管网分流流量分配特性试验。在输送管道系统中，从发送仓的底部物料喷射器出口到T型接头入口处的无缝钢管和透明的有机胶管相连，并可从透明的有机胶管能看到两相流动的形态。T 型分支接头的结构如图

35、 2-5所示： 图2-5 T 型分支接头分支管路A和B分别通过耐压软管连接到收料仓A和B。两分支管路均装有U型管压差计，每根分支管路布置一对测压点，两侧测压点间的距离为1.0 m，且测压点和U型管压差计在两分支管路上对称安装。 2.1.3 数据测量采集系统 本课题的气力输送系统的测量设备主要包括重量测量仪、转子流量计、U形压差管等。本实验选用较精密的电子重量测量仪，能精确到0.001 kg，能准确的对物料重量进行测量。量程为0-60 m3/h的转子流量计可以分别对总管进气量和支管出气量进行准确测定。另在两支管上安装了U形压差管用以测量支管压差的变化。由于气固两相管内流动相关参数的准确测量不同于

36、单相流，整个系统由于固相颗粒的加入使得相关参数变化非常复杂，特别在密相输时尤为突出，颗粒的运动不仅会对测试仪表产生一定的磨损，而且两相流动形态的复杂性使得很多常规仪表和测量方法都难以应用15，因此，测试仪器仪表的合适选择对试验结果的准确性会有十分重要的作用。 2.2 实验中固相物料的选择在气力输送试验研究中选取输送固体物料要参考以下原则 ： （1）良好的流动性。 物料良好的流动性能，可以使过程参数得到较好的控制，会较大的提高操作的可行性和灵活性，对达到较理想的试验结果起着很重要的作用。 （2）稳定的理化性。 试验中采用干燥、纯净的压缩空气作为输送介质，所以要求被输送的物料的物理化学性质必须稳定

37、，不与试验装置材料和空气发生物理变化或化学反应，能够保持整个试验系统性能的稳定。 （3）重复使用性。由于要对所选物料进行大量的输送试验，在输送过程中难免会发生固体物料的破碎和粉末化，因此所选物料要有很好的强度和耐磨性能，同时可以重复使用，实验过程中若物料破碎现象较严重，应定期对试验物料进行更换。 （4）较好的可对比性。由于要研究物料性质对管道输送状态的影响，选择物料的某些性能参数相同或相近，来对比其他的物性变化对输送过程的影响，从而进行对比。 根据气力输送固体物料所应具备的特点并参考以上原则，本文选取了小米作为本实验的实验物料。该物料的相关物性为：平均直径为1.525 mm，真密度为1240

38、kg/m3 ,堆积密度为750 kg/m3，该物料流动性强，稳定性好，硬度较大，不易破损，能够较好地完成试验任务。 2.3 本章小结本实验采用控制变量法通过对测量结果进行多角度分析和讨论，其中包括发送压力、分支管压差值、气体流量等可控因素，可以考察不同操作条件下的分支管路的阻力特性以及分配特性。 使用优化的BP神经网络对固相颗粒在发送压力和分支管路球阀开度变化时，相应的各分支管路中分配特征的变化情况进行模拟和预测。实验过程中多处存在误差问题，例如实验装置的系统误差，测试过程中的随机误差都是影响实验精度的主要因素， 系统误差是由于系统内部某些不可改变因素存在的误差，这个主要取决于仪器仪表、测试装

39、置的结构特性和精度等级，一般系统误差很难避免，同时也比较固定，所以我们把主要精力放在了改变测试仪器的测试精度以及尽量减少测量读取过程中存在的误差，为了避免和减少随机因素导致的误差，实验采取在相同条件下进行多次测量，这样可以减小实验误差，由于实验过程中系统误差确定但是随机误差的存在使得实验结果中的某个测量值趋于不固定，所以实验所得的测量值要经过相关数据进行校正。本实验对实验结果的研究和讨论并不是拘泥于某个点值结果的讨论，它是对在不同条件下管网气力输送阻力特性曲线以及两收料仓的分配特性变化趋势的讨论和模拟，所以个别点的随机误差并不影响整体实验结果。3 气力输送实验3.1 研究方案在本文实验过程中，

40、一般条件不变的的情况下，通过采用逐渐改变输送流量及发送压力等影响管网特征的因素的方法，对流体流动特性进行了研究。首先，选择平均粒径为1.525 mm的小米作为固体颗粒进行管网试验，主要分两组试验，第一组试验：气体总流量固定在55 m3/h，通过逐渐改变发送压力和支管控制阀的开度得到两支管的流动特征；第二组试验：发送气体压力固定在0.14kpa，通过逐渐改变发送流量和支管控制阀的开度得到两支管的流动特征其次，通过对相关特性数据进行分析，对水平管网输送的本质和规律进行进一步的探究，得出相关结论。最后，对试验的相关数据进行分析总结。3.1.1 实验物料的选择在气力输送实验研究中，由于固相颗粒在管道中

41、被气流高速推动，根据固体物料的特点和影响气固两相流在管道内输送的各项参数，固体物料的选择要参照以下几个原则17：（1）良好的流动性。管网气力输送系统中被输送固体物料流动性的优良，将会直接影响到系统内部整体输送的效果，系统操作的可持续性以及运行的可行性都会不同程度上受到固体物料流动性的影响。（2）稳定的性能。其中包括稳定的物理和化学性能，试验中采用干燥的压缩空气作为输送气体，所以要求被输送固体物料在空气中的化学性能稳定，物料和物料之间、物料和管壁之间以及物料和输送气体之间不发生反应，且对管道内壁无腐蚀作用。要求物料无吸湿性，保存时不会出现潮湿变质等情况，不易老化和碎裂，不含杂质以及无危险性等特点

42、。（3）可重复使用性。由于压力以及气流的作用，被输送物料在料仓以及输送管路中由于高速的运动会和管壁发生剧烈的摩擦，这就要求物料的耐磨损性能良好以及硬度大等良好的物理性能。以免在实验过程中物料破碎，造成对实验结果的影响。（4）固体物料的颗粒直径与输送管道内径的比例要小于1:30，这样有利于固体颗粒的输送，也有利于固体散装物料的装料和卸料。考虑各种因素，最终本实验中选取了密度为0.92 kg/m的小米作为被输送物料，由于小米的球形度近似等于1，小米半径与管道内径的比例远小于1:30，而且在本实验的压力和送气流量下流动性良好，对于实验运行的连续性和稳定性有了一定的保证。但是小米在管道中经过多次试验后

43、会出现一部分颗粒粉碎的情况，在实验过程中我们采取每组实验结束后被输送物料换为新的相同的小米用以避免输送过程中的粉碎情况，间接影响颗粒的物理性质，从而影响实验结论的正确性。 3.1.2 输送方式的选择气力输送系统按输送原理可分为正压、负压和正负压混合输送三种形式。负压输送的起源较早，压力上限只有一个大气压，其有着压力上限小的缺陷，由于压力小所以可输送距离很短，气力输送在生产中应用多为长距离输送，对于气力输送现实应用的研究意义并不是很大，所以本文采用正压输送方式。 3.1.3 实验中可能出现问题的预见性和解决方案（1）虽然小米的流动性良好，但是在在发料仓出口处当投入物料量过少的情况下会出现难以下料

44、的情况，所以实验之处投放的物料量需要根据实际情况进行选择。（2）固体颗粒物料硬度满足实验要求，但是在多次实验过程中难免造成磨损以及破碎等情况，这样的情况下实验过程中对于固体物料要做到及时的补充，满足在相同或者不同的实验条件下投放物料质量的一致性。（3）由于小米存在破碎等情况，所以管道中一段时间就会有小米粉尘的残留，所以实验每隔一段时间就要对管网系统内部管路进行彻底清灰，避免由于管道内部小米粉尘的附着造成随机误差。（4）由于在不同的实验条件下气固两相流混合的状态不同，均相流动过程中流量计以及压差计示数稳定， 得到的实验值亦准确可靠， 但是当条件改变时，气固两相混合情况也随之发生变化，实验过程中科

45、通过透明软管实时的观察系统内部两项混合情况，但出现柱塞流时系统内部各测量仪器示数波动，这就要求我们在实验过程中尽量避免出现柱塞流的实验条件的选择。（5）当实验中选取的气体流量过小时，会出现管路阻塞问题，但是当选取的气体流量过大时又会出现发料仓难以下料等情况，所以对于送气流量的选择上我们要尽量选取适当大的范围。（6）实验过程中压力和气体流量设定后当打开收料仓阀门，气体流量计示数会出现变化，当流量计示数下降后稳定能否达到20 s以上，当流量计示数稳定后，管路单位长度的压差值才更准确。 3.1.4 实验流程方案设计本实验选用平均粒径为1.05 mm、密度为0.92 g/cm的小米作为输送物料，初次实

46、验投入物料15 kg小米，输送20 s左右时压差计示数出现较大范围的波动,不再稳定，于是停止送料。鉴于输送时间较短，决定加大物料的投入量，并关小发送仓下端阀门，使出料速度减小，以达到每次输送物料的时间为40 s左右为宜，以使所得数据更加精确。选取空气压缩机的送气压力为0.14 MPa时打开空压力阀门开始送气， 并调节发料仓压力和转子流量计示数，发料仓压力分别选取0.06 MPa，0.1 MPa，0.14 MPa， 0.18 MPa， 0.22 MPa这5个压力值作为发送压力。 流量分别选取40m3/h、45 m3/h、50 m3/h、55 m3/h、60 m3/h这5个流量值作为送气量。在以上

47、不同的实验条件下采用控制变量法研究不同的实验条件对两分支管路中压差变化的影响，以及各个条件的改变对流动特性的影响。（1）在两分支管路阀门开度相同（30-30） ，改变空气流量40 m3/h、45 m3/h、50 m3/h、55 m3/h、60 m3/h空气流量，相同的发送压力0.14Mpa，研究发送流量，对流动特性的影响。（2）在两分支管路阀门开度相同(0-0），改变发生压力0.06 MPa、0.10 MPa、0.14 MPa、0.18 MPa、0.22 MPa，相同的发送流量55 m3/h，研究发送压力对流动特性的影响。 3.1.5 实验步骤本试验主要由以下几个步骤来完成:（1）试验系统各组

48、件的调试，通过无料气体输送，检测动力系统、发送系统、试验管道系统、固相回收系统、 数据测量与采集系统等是否工作正常，系统是否封闭良好。特别是各接头处是否漏气，以及在一定压力下操作时各接头的耐压性能。（2）实验改进。通过相关物料对试验系统进行小规模试验，并根据相关文献的实验经验对相关数据进行分析，并对系统进行相关设计细节进行改进。（3）开始试验。在发料仓内注入平均粒径1.525 mm的小米，用空气压缩机对发料罐进行加压，通过分别改变改变两分支管的阀门开度和发送压力等因素进行实验。（4）数据的测量与采集。通过观察各测试仪器的测量结果，包括重量测量仪、转子流量计、U形压差管、发送压力表等，对所得数据

49、进行记录、整理。（5）回收收料仓的物料，装入发料仓中，使得输送物料循环使用。3.2 本章小结本章主要对管网气力输送系统的各个部分的实验物料和输送方式选取及实验的整体流程进行了简要的介绍。该系统主要由供气系统，料气混合系统，输送管网以及物料回收和测试系统等组成，本文自主设计建立的气固两相管道输送系统，包括试验输送管路的设计；供料及混合系统、管网分流系统及物料回收系统的设计,以及确定数据测量系统等。该系统设计合理性强，该中试设备能够较好的模拟气力输送系统在化工或者其他行业中的实际应用过程，在不同操作条件下对气固两相流的流动状况进行观察、模拟和预测等，本套实验装置既可以用于实验室实验，也可以进行工业

50、化中试实验。4 Fluent软件介绍和具体操作步骤4.1 Fluent软件介绍CFD是英文Computational Fluid Dynamics（计算流体动力学）的简称。它是伴随着计算机技术、数值计算技术的发展而发展的。简单地说，CFD相当于虚拟地在计算机做实验，用以模拟仿真实际的流体流动情况。而其基本原理则是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。可以认为CFD是现代模拟仿真技术的一种。1933年，英国人Thom首次用手摇计算机数值求解了二维粘性流体偏微分方程，CFD由此而生。1974年，丹麦的Nielsen首次将CFD用于暖通空

51、调工程领域，对通风房间内的空气流动进行模拟。之后短短的20多年内，CFD技术在暖通空调工程中的研究和应用进行得如火如荼。如今，CFD技术逐渐成为广大空调工程师和建筑师解决分析工程问题的有力工具。Fluent的软件设计基于“CFD 计算机软件群的概念”，针对每一种流动的物理问题的特点，采用适合于它的数值解法在计算速度，稳定性和精度等各方面达到最佳。不同领域的计算软件组合起来，成为CFD 软件群。从而高效率地解决各个领域的复杂流动的计算问题。这些不同软件都可以计算流场，传热和化学反应。在各软件之间可以方便地进行数值交换。各种软件采用统一的前后端处理工具。这就为Fluent的通用化建立了基础18-1

52、9。计算流体动力学是近现代流体动力学的一个重要分支，FLUENT软件的设计基于“CFD软件群”思想，可针对各种不同流动的特点，采用最佳的数值解法，准确模拟流动、传热和化学反应等物理现象。FLUENT软件主要用于模拟和分析复杂几何区域内的流体流动和传热现象，有灵活的网格特性，可以支持多种网格，凡与流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。用户可以自由选择使用非结构化或者结构化网格来划分复杂的集合区域，也可以利用FLUENT软件提供的网格自适应特性在求解过程中根据所获得的计算结果来优化网格。从用户需求角度出发，FLUENT软件容易上手，针对各种复杂流动的物理现象，采用不同的离散格式和数值方法，在

53、特定领域内使计算速度、稳定性和精度等达到最佳组合，高效地解决油气储运工程领域的复杂流动计算问题。Fluent 程序软件包有以下几个部分组成：(1)GAMBITFluent 提供的网格生成软件；(2)Fluent 求解器Fluent 软件的核心，所有计算在此完成；(3)prePDFFluent 用 PDF 模型计算燃烧过程的预处理软件；(4)TGRIDFluent 用于从表面网格生成空间网格的软件；(5)过滤器或叫翻译器，可以将其他 CAD/CAE 软件生成的网格文件变成能被 Fluent 识别的网格文件。用 Fluent 模拟一个流场包括几何构建、网格划分、选择计算方法、选择物理模型、设定边界

54、条件、设定材料属性和对计算结果进行后处理几大部分。4.1 基本程序机构示意图4.2 具体操作步骤首先，在CFD的前置处理器Gambit 中，根据实验资料建立T型水平管的三维几何模型，然后网格划分、确定边界条件，保存为.msh文件。网格的划分方法总体上可以分为结构化网格和非结构化网格两种20-21。结构化网格的特点是，网格生成的速度快、质量好，很容易实现区域的边界拟合，并且在网格区域内的所有点都具有相同的毗邻单元，网格区域光滑，更容易接近实际的模型，对曲面或空间的拟合大多数采用参数化或样条插值的方法得到；非结构化网格的特点是，对形状复杂的几何模型具有很好的实用性，但是在解的收敛性方面不如结构化网

55、格好，并且在网格区域内的内部点不具有相同的毗邻单元。本文中的管道几何模型都比较简单，没有非常复杂的结构，所以采用结构化网格来划分。在气力输送垂直管道中，气体速度一般较高，颗粒的重力方向与气相对固相的曳力方向在同一条直线上，固相的切向速度为零，颗粒的重力只在轴向上对颗粒的运动产生影响，而在径向和切向方向上气体以及颗粒的运动不受重力的影响，因此可以将垂直管道简化为二维轴对称模型来处理，将垂直管道的直径剖面的一半作为二维模型的研究对象，模拟的时候只模拟下图网格的一半。由于模型被简化成二维的，所以可以采用四边形的网格划分方式，为了有利于较高的计算精度和较快的计算速度，在二维垂直管的计算中，轴向采用垂直

56、向下逐渐加密的非均匀网格，径向也采用非均匀网格，管壁面采用较细而管中心较粗的划分方法，三维圆管的网格划分图。图4.2 直圆管网格划分好网格后，分别设置入口inlet为【velocity-inlet】，出口outlet为【pressure-outlet】,将模型以.msh的格式输出，供下步计算使用。4.2.1 运用Fluent求解计算（1）打开Fluent运行界面，导入Gambit划分的网格，检查文件，设置求解器类型、计算模型 图4.3 导入MESH文件（2）设置粘度模型，固相和气相图4.4 设置粘度模型（3）设置操作条件及边界条件图4.5 条件设置（4）求解初始化图4.6 初始化设置（5）残差

57、控制图4.7 残差控制（6）迭代出图图4.8 迭代及迭代结果4.3 本章小结本章对Fluent的来源及应用步骤进行了简单的介绍，对于利用Fluent软件模拟气固两相流模拟时的设置，进行了区别分析和正确选择。由于Fluent软件的组成比较复杂，在进行输送模拟时，不仅Gambit中模型要正确进行网格划分和边界条件的设置，更要在应用Fluent中注意各相的特性的设置。本章节已对以上部分的设置进行了详细的叙述，可根据实际情况采用不同的设置。同时，在此过程的基础上，也对本实验的T型水平管道采用三角形和四边形的网格划分方法，对两相流的设置和求解器等，也详细说明对管道的边界条件的设置。5 实验结果与数据分析5.1 模拟输送过程中的一种情况并与实验结果对比模拟流量为60 m3/h,发送压力为0.22 MPa时，管内流体分布情况；包括它的混合压力在轴向的变化、气固相的轴径向的速度变化、和气固相的浓度变化。经模拟后发现气固相单相的压强在轴向上变化不大，呈水平线的趋势，所以只研究气固混物的压强分布。并与实验结果对比分析。 5.1.1气固两相流的压强分布表5.1 本次实验所需数据空气流量(m3/h)60空气流速(m/s)20.73空气密度(kg/m3)1.293小米密度(kg/m3)920固气比3.61小米流量(kg/m2.s)112.6小米初速度(m